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下游反压引起的弯曲隔离段流场迟滞现象
发布日期:2018-01-06  来源:力学学报   浏览次数:7
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隔离段是超燃冲压发动机中十分重要的部件[1],一方面用于隔离下游燃烧室流场的压力脉动,另一方面用于对进气道捕获的气体进行再次减速增压。常见的超燃冲压发动机隔离段构型一般为等直或微扩,中线多为直线形式。最早开展这一领域研究的是P. J. Waltrup[2], Lin[3]和Ikui[4]等人,他们研究了隔离段内激波串的结构和。其他研究者采用数值计算或试验的方法,研究了等直圆截面隔离段的流场结构,影响隔离段性能的主要参数[5-7],包括出口反压、来流马赫数、边界层厚等。Deepak Om[8]等人利用实验手段研究了出口反压对等直隔离段内流场和出口性能参数的影响。Pei. Lin[3]等人通过数值计算的方式研究了来流边界层厚度和马赫数对隔离段的影响。Crocco[9]和Ikui[4]等人还建立了“shockless model”和“Diffusion model”等模型,从理论上解释了隔离段出现激波串的原因。国内针对等直隔离段开展的研究也十分丰富,张堃元[10]、王成鹏[11]、田旭昂[12-13]等开展了非均匀来流、入射激波等因素对隔离段流场结构和性能的影响研究,进一步深化了人们对隔离段激波串结构及特性的认识。
当前,一些超燃冲压发动机总体方案采用了弯曲隔离段方案,用以满足吸气式飞行器总体布局的要求。谭慧俊[14]等人研究了弯曲隔离段流场结构和性能,并且比较了其与等直隔离段的优劣,发现弯曲隔离段还能够减小等直隔离段原本存在的不对称性,可以缩短激波串的长度。郭善广[15]等人研究了改变反压情况下的弯曲隔离段,得到了随着反压的变化,流场结构出现了迟滞现象的结论。但总的来说,目前国内外对于弯曲隔离段,特别是中心线偏置式S弯隔离段的研究还相对较少,对S弯隔离段中的激波串结构、隔离段性能特性的认识还稍欠深入。
正是基于以上考虑,本文设计了一种具有典型S弯特征的简化弯曲隔离段,利用二维非定常数值模拟方法,获得了弯曲隔离段中激波串结构随反压变化的非定常特性,分析了激波串结构起始分离点位置的变化规律和出口总压恢复系数随出口反压的变化情况。
2数值模拟方法及验证
2.1数值方法
数值计算采用基于有限体积法的FLUENT商业流体力学软件,控制方程为二维可压缩N-S方程,湍流模型采用Spalart-Allmaras模型,其中对流通项采用Roe格式进行分裂,而粘性项则采用二阶中心差分格式离散;时间推进采用LU隐式格式;流动控制方程、湍流动能方程和湍流耗散方程耦合求解,且均达到二阶精度格式。
2.2算例及验证
为了验证计算方法对隔离段流场模拟的适用性和准确性,本文针对Carroll和Dutton在文献[16]中开展的试验进行了算例验证,结果如图1所示。通过实验与计算结果的对比可以看出,数值计算获得的壁面压力沿程分布与实验结果能够很好吻合,流场结构存在差别,可能是湍流模型存在误差的原因。
2.3 计算域及边界条件
图2为本文设计的简化S弯隔离段,该隔离段上下壁面均采用相切的两段圆弧实现流道弯曲转向,圆弧半径及切点如图所示。隔离段的入口高度为56mm(图中AB),隔离段长度为600mm(AB与FC的垂直距离),隔离段中线偏置距离为60mm。为避免反压边界条件对隔离段出口性能造成影响,将计算域从隔离段出口FC截面扩展至ED截面,扩张半角为5.4度。
为了提高流场波系结构分辨率,计算过程中采用网格自适应加密技术。计算初始网格量为200×300,自适应后网格的总量为8万左右,壁面附近最大y+约为1。
根据隔离段流场和计算域的特征,数值计算采用的边界条件设置如下:隔离段入口AB设定为超声速入口边界条件,总压为100kPa,总温为300K,马赫数为3;隔离段壁面为绝热无滑移壁面;计算域出口ED为压力出口边界条件,当地马赫数小于1时,压力为设定值,当地马赫数大于1时,使用压力外推条件;本文通过设定不同的出口压力,模拟不同反压对隔离段流场的影响。
2.4计算过程
为了模拟反压变化引起的隔离段流场结构变化过程,本文借鉴了文献[15]的方法。首先,采用入口边界条件对计算域进行初始化,并获得低反压条件下的弯曲隔离段流场;然后,通过准定常方法提高计算域出口压力设定值的方式,逐渐增加下游反压进行续算,获得反压增加过程中弯曲隔离段的流场结构,直至激波串结构上移至入口附近;最后,再通过准定常方法减小计算域出口压力设定值的方式,逐渐降低下游反压进行续算,获得反压降低过程中弯曲隔离段的流场结构。
 
 
 
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